Materiali a cambiamento di fase (PCM) a forma stabile : aspetti teorico-pratici legati alla microstruttura

Nowadays the study of thermal energy storage system is become one of the main topics to obtain a consumption optimization, decreasing the production of pollution, and to manage the mismatch between the supply and demand of energy, caused by the variability of some new renewable energy technologies. This work of thesis is focused on the analysis of Thermal Energy Storage, particularly Phase Change Materials able to store both sensible and latent heat. We have analyzed both metallic and hybrid PCMs. They are characterized by a form-stable structure given by an aluminum matrix, obtaining composite materials. Metallic PCMs are produced from the compression of Al and Sn powders, using different types of compression and sintering able to work at high temperatures (250°C) while hybrid PCMs are studied starting from aluminum foam filled by organic active phase and able to work at lower temperature. Different studies are made to analyze the production methods and their effects on the microstructure and on thermal properties of metallic PCM using a Scanning Electron Microscope, DSC analysis and microtomographies made at the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble (FR). Thermo-physical characteristics of the active phase of hybrid PCMs and the schematic modeling of the elementary cell shape of metallic foam (acting as passive phase) are initially presented. Some simple experiments are conducted to evaluate the influence of different cooling/heating rates and the use of three different paraffin waxes as active phase. Finally, a numerical simulation is carried out by means of Finite Element Method to observe the thermal response of previously modelled 3D structures to a linear variation of temperature at the bottom surface.

Oggigiorno lo studio di sistemi in grado di immagazzinare energia ha assunto un ruolo principale per cercare di ottimizzare i consumi, diminuendo quindi la produzione di sostanze inquinanti, oltre a permettere un miglior bilanciamento della rete elettrica, resa instabile dal crescente utilizzo di alcune tecnologie rinnovabili caratterizzate da una produzione fortemente variabile. Il nostro lavoro di tesi verte sullo studio di materiali a cambiamento di fase, Phase Change Materials (PCM), in grado di immagazzinare energia termica, sia sensibile che latente, in intervalli di temperature dipendenti dalla fase attiva utilizzata. Il nostro lavoro di tesi si concentra sullo studio di due tipologie di PCM accumunati dall’avere entrambi una forma stabile dovuta all’utilizzo di una fase passiva di alluminio con funzione di matrice, andando così a formare dei materiali e delle strutture composite. Si studieranno in particolare l’effetto della morfologia in PCM metallici e in PCM ibridi (paraffinici). I primi saranno prodotti a partire da polveri di alluminio e stagno con diverse tipologie di miscelamento, compressione e sinterizzazione, adatti a lavorare a temperature prossime ai 250 °C, i secondi saranno modellati a partire da schiume aperte (foam) di alluminio e riempite con tre diversi materiali organici con cambio di fase a temperature medio-basse. Per i PCM metallici verranno condotti studi riguardanti i diversi metodi di produzione, analizzandone la microstruttura con micrografie condotte al microscopio elettronico a scansione (SEM) presente nel Dipartimento di Meccanica e con microtomografie condotte all’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble (FR) volte a trovare una relazione tra la struttura dei materiali e le relative proprietà termiche, analizzate con l’uso di un calorimetro differenziale a scansione (DSC). Per i PCM ibridi verranno presentate dapprima le caratteristiche termo-fisiche dei materiali organici scelti come fase attiva e verrà condotto uno studio sulla modellazione schematica della struttura di foam aperte (fase passiva). Seguirà una fase sperimentale volta a valutare l’influenza di diverse velocità di raffreddamento/riscaldamento e delle diverse paraffine utilizzate. Infine, si effettueranno simulazioni mediante il Metodo degli Elementi Finiti al fine di osservare la risposta termica di strutture tridimensionali, ottenute dalle modellazioni precedenti, alla variazione lineare di temperatura imposta sulla superficie inferiore.